圓夢計劃緣起
農藥使用氾濫一直是台灣和世界惹人懊惱的重大問題之一，然而大眾平常都不會察覺，往往都是透過新聞報導才得知，但，這問題所造就的後果卻無所不在!小至我們無時無刻食用的農作物，大至對農田以及對地球生態的破壞。而在這寶島中，有一群青年正在努力解決這問題，他們來自交通大學!也許學習的是不同領域的專業，卻都擁有一個相同的夢想，想要從此改善整體農產運作，運用各自的專業來協助夢想的實現，讓台灣回到昔日的寶島景象，讓世界回歸最初的狀態。 有鑑於日新月異的科技，這群青年結合科技思維與傳統農業，造就農業永續發展。在這過程中，他們研發出一種全新生物性無毒農藥「PANTIDE」，其中PANTIDE由「PAN」、「Peptide」兩詞組合而成，他們希望PANTIDE這種有機農藥可以像古希臘大自然牧羊神PAN一樣讓大自然回歸最初的狀態；而Peptide則是完成PANTIDE夢想的主要元素之一。此外，他們體恤農夫們平時的辛勞，為了讓他們在耕種上更為方便，不像傳統農業耕作耗時又費力，於是設計出一套個人化自動系統，協助農夫們完成某些事物。也許他們不像專家一樣有豐富的背景知識，但是他們盡他們所能的讓台灣以及世界變得更美好，而這就是他們的夢想藍圖，NCTU_Formosa。 (一) 減少化學農藥的使用 現今農業使用化學農藥會面臨以下三個問題: 1. 環境保育：研究顯示，全球每年噴灑超過400萬噸化學農藥，不僅汙染地表40%河川，嚴重影響了飲用水源，還造成土壤汙染，諸如農藥殘留、土壤鹽鹼化等，破壞了原有的生態環境。 2. 人體健康：廣泛使用化學農藥，對人體的傷害包括肺功能衰退、呼吸異常、身體顫抖、步伐及體態不正常及攝食量減少、臟腫大等；長期接觸更會導致腎炎。 3. 市場損失：近年屢屢出現農藥超標的新聞，如知名茶飲店茶葉驗出農藥超標。食用安全逐漸受到人們重視。據經濟部統計，食安問題已造成一年約177億新台幣損失。我們希望能用生物農藥代替化學農藥，可以自然降解的特性，能夠降低對環境的負載。也可以利用專一性的特性，避免農藥殘留對人體的傷害。 (二) 改善有機農業的限制 目前有機農業難以順利發展的原因，其一為成本高昂，轉型門檻高；其二為執行困難，使用農藥的限制，使得產量降低，經營有機農業利潤不高，減少了農民的意願。若能夠利用生物農藥低成本的特性，來提高有機農業的利潤，進而能促進有機農業的發展。 (三) 用生物科技製造抗蟲胜肽 我們擁有細胞實驗室的資源，想利用基因工程的技術，讓大腸桿菌(Escherichia coli)生產能夠專一性殺蟲的抗蟲胜肽，從體內取出後，再加工製成無毒性的生物農藥，以期達到無毒農業的目的。 (四) 建構自動化防治蟲害系統 將單晶片微控制器－Arduino，結合偵測系統及灑水系統，建構一套自動化的防治害蟲系統。讓農民能夠及時監控農田中害蟲的數量及種類，藉由系統定時定量噴灑相對應的抗蟲胜肽。達到殺蟲效果的同時，也不會濫用農藥，獲得最大化的效益。 此外，藉由農田測量得到之溫溼度等參數可建立一個針對該田地之環境參數資料庫，長時間後藉由其中資料可以預測田中情況再配合該情況進行適量灑水與抗蟲胜肽噴灑，達到客製化科技農業的目的。
計畫評估
(一) 從蜘蛛、蠍子的毒素中，整理出能夠使害蟲致命的胜肽，建立一個抗蟲胜肽資料庫。並藉由生物資訊的技術，從抗蟲胜肽資料庫的資料中，分析出能分別針對不同種類昆蟲、不同作用機制的胜肽序列。 (二) 從資料庫中選擇適合的胜肽，經由修改及優化後，讓害蟲能在攝食入胜肽後，產生致命性而有效消滅害蟲，且這個胜肽對哺乳類及益蟲無害，對環境也是安全的。 (三) 設計重組DNA序列(Recombinant DNA Sequence, Biobrick)，將基因轉殖到大腸桿菌(Escherichia coli)中，以實驗驗證，大腸桿菌能夠正確的生產及摺疊出抗蟲胜肽，並分泌到體外。驗證此抗蟲胜肽對害蟲的毒性(LC50 value)，及確認抗蟲胜肽對哺乳類及益蟲無害。測量抗蟲胜肽在水中的降解速率，估算其在實際應用時，可能殘留在環境中的濃度。 (四) 結合2014 NCTU_Formosa 榮獲世界基因體工程競賽全球第三名的作品-創新胜肽技術捕蟲裝置，利用藍光來吸引母蛾，讓母蛾釋放出費洛蒙來吸引昆蟲至捕蟲裝置中。利用不同的物質來吸引多種昆蟲，進而偵測害蟲種類。此項生產PBAN的技術目前已成熟並正在進行專利申請，也曾獲國際知名期刊Science專文介紹。 (五) 以Arduino微控制器為平台，接收捕蟲裝置中，偵測系統得到的訊號後，傳訊給中央控制電腦，判斷現有的害蟲種類，並選擇出適合使用的抗蟲胜肽。 (六) 建構一套自動化控制系統，根據農田的溫濕度及害蟲種類，自動化地定時定量噴灑對應的抗蟲胜肽，以科學補助農業，達到最佳的使用效益。將偵測系統、Arduino微控制器及自動化控制系統整合為一整套的裝置，建立系統間的訊息連接。 (七) 建立一份問卷調查，統計並了解大眾對於有機農業和生物農藥的認識與看法，以及我們的構想及設計是否符合農民需求，並且能被大眾所接受。 (八) 找到一小塊農地進行田間測試，測試我們的抗蟲胜肽對害蟲的致命性，及在水中降解的速率。比起目前的防治害蟲藥劑，能用更低的劑量、對環境更無害的方式，達到相同甚至更佳的防治率。 (九) 與農田合作，實際在農田中進行農田測試我們的裝置，驗證從捕捉、偵測，到噴灑、殺蟲，這套裝置的確能自動執行，並且農田中的害蟲數量有明顯減少。 (十) 利用網路社群、實際拜訪推廣我們的理念與設計。
執行計畫
計畫籌備期 1. 胜肽資料庫建立 從四月到六月，我們規劃十人參與建立基因資料庫。與生物資訊老師們學習所需知識並實際應用。為了提升抗蟲胜肽製造過程，我們先從SpiderP與UniProt 尋找出具備專一性，對哺乳類與蜜蜂無害可口服性的胜肽，建立胜肽資料庫。 2. 設計合成基因序列(Biobrick) 從四月到六月，我們規劃四人基因序列設計。我們將利用大腸桿菌Escherichia coli製造短肽鏈PANTIDE。 I. 從UniProt與SpiderP得到毒蜘蛛與蠍子毒液中的短肽序列。 II. 依序以啟動子(Promoter)、核醣體接合位(Ribosomal Binding Site, RBS)、目標基因(Target gene)、終止子(Terminator)排列，將此片段接上質體(Plasmid)作為載體(Vector)植入大腸桿菌。 III. 以抗生素篩選出具有目標基因的大腸桿菌。 3. 農場與大眾問卷調查 四月底至五月期間我們將規畫四人，以電訪與實地參訪形式訪問有機與茶園業主；兩人以網路問卷調查消費者看法。在執行計畫的過程中，我們也需要了解農夫與大眾消費者對於有關我們產品PANTIDE概念如無毒農業的看法，如此一來將使我們製造的產品貼近於消費者的需求與評估其價值。因此於籌備期間我們將分別進行針對農夫與大眾的問卷調查。 4. 硬體與軟體設計 於五月中旬至六月規劃兩人進行裝置設計。產品噴灑裝置包含硬體與軟體，大體分為自動噴灑軟體與噴灑儀器。 I. 在實地探勘農地後，我們將針對各種不同的農業類型(如茶園、菜園)設計最有效率的軟體與硬體。 II. 我們將會參考現有的噴灑技術並結合2014年NCTU_FORMOSA的捕蟲偵測技術作為我們防治蟲害的完整系統。 5. 數學建模 利用希爾方程(Hill function)、米氏動力學(Michaelis-Menten kinetics)與酵素動力學模擬抗蟲胜肽在自然環境中的降解速率。 計畫執行期 1. 實驗執行 合成基因序列之後，我們將讓大腸桿菌依據基因製造具專一性的抗蟲胜肽，當中我們將進行產量分析、測定胜肽降解速率、與小規模的毒性實驗，我們將用斜紋夜蛾(鱗翅目)之幼蟲來進行實驗(LC50 value)，預計於六月中旬分配6~8人開始進行實驗。 2. 田間試驗 我們在實驗室中得出對於特定害蟲具專一性的抗蟲胜肽種類後，即可進行田間試驗初步評估短肽鏈PANTIDE在田野環境中的實際效用。 預計於九月初至一月進行為期五個月的試驗。內容包括自行種植葉菜、噴灑抗蟲胜肽PANTIDE。 3. 農場試驗 今年十二月至隔年三月，我們挑選田間試驗中效果良好的抗蟲胜肽進行農場試驗，此時我們將聯絡有意願參與無毒農業的農業主進行為期四個月的農場試驗。 (二) 運用之軟體、硬體資源 軟體：Arduino IDE、android、Realterm、XYZware、Rhino 硬體：大腸桿菌菌盤、光電二極體、生物螢光濾鏡、MediaTek LinkIt™ Smart 7688 Duo 開發板、溫溼度偵測器、水泵/農藥噴灑器、產品外殼、3D列印機 作法： 1. 裝置捕蟲： 以3D列印設計一個暗箱內點燈讓趨光性農作物害蟲成蟲進入，當害蟲食用裝置內的PBAN後，將會散發出費洛蒙以吸引更多害蟲進入裝置，而我們設計出來的裝置將會使害蟲只進不出，達到捕蟲的效果。 2. 增進效率： 當害蟲進入裝置時會被裝置入口處的紅外線感應器感知並傳送訊號MediaTek LinkIt™ Smart 7688 Duo 開發板中的Arduino 微處理器，並可以藉由紅外線遮斷訊號的強弱來判斷進入裝置的害蟲數量；而當害蟲散發出費洛蒙後，將吸引更多同種類害蟲進入裝置，增進捕蟲效率。 3. 判斷噴藥： 當Arduino 微處理器收到來自紅外線感應器的訊號時，將交叉判斷是否開始噴灑抗蟲胜肽，如是，便啟動水泵開始噴灑抗蟲胜肽。 4. 遠端監控： 同時以 MediaTek LinkIt™ Smart 7688 Duo 開發板中的WIFI或藍芽來將蟲害資訊傳送給使用者手機內APP，以達到以物聯網IOT來進行害蟲監控與管制的效果，而我們所撰寫之手機APP將可用來進行抗蟲肽噴灑裝置的開關遙控與農園的即時害蟲狀況監測，來實現遠端監控抗蟲肽噴灑狀態的目的。
預期效益
1. 環境永續(Envirronmental Sustainability) 河川 一般農藥容易因農藥殘留而造成水源污染，並可能對水中的生物造成危害。但PANTIDE可自然降解物質，因此不會有一般農藥殘留問題，使河川不受污染、也不會對人體造成傷害。 土壤 PANTIDE可被微生物自然分解，分解後即還原為自然界常見的胺基酸，因此不會造成土染汙染，如此一來對於地力維持與土壤微生物生態有極大的幫助。 益蟲 我們所挑選的抗蟲胜肽其作用對象皆不包含膜翅目昆蟲，因此我們的抗蟲胜肽不會對蜜蜂等益蟲造成傷害。 2. 人體健康 化學農藥會因為生物累積作用，最後經由飲食對人類造成的疾病，甚至有致癌的毒性；相較之下，PANTIDE對人體無害，不必擔心因為農藥殘留而產生的健康問題。 3. 市場 PANTIDE能夠使有機農產品賣相更好、可自然降解不易殘留且對人體無害，未來如果我們的產品可以取代市面上大部分的化學農藥，那麼農藥殘留所引起的食安問題也將減少。如此一來化學農藥造成的市場損失與社會成本便能降低。 4. 有機農業潛力 根據論文，Catherine Badgley et al.透過簡單的數學比例公式和數據收集證明有機栽培能使作物產量提升且有能力提供約9~10口所需要的糧食。 5. 合成毒素 我們將抗蟲胜肽基因轉殖進入大腸桿菌，製造出專一型及廣效型兩種不同的抗蟲胜肽。其中專一型只針對特定目分類的害蟲，廣效型則可同時針對多種目的害蟲，但仍然不會對人體及益蟲造成傷害。另外，藉由生物資訊技術，我們計畫由資料庫尋找，甚至創造出全新、更具效果且更容易生產的抗蟲胜肽。 6. 殺蟲效果 使用PANTIDE後我們可以造成一定數目的害蟲死亡，但不會對整體生態造成危害。另外我們可以依蟲害情況使用廣效型或專一型，因地制宜。 7. 整合資料庫 I. 整合各種抗蟲胜肽來源特性及神經毒素的作用區位，如鈉離子通道、鈣離子通道等，以對付不同害蟲。 II. 比對胜肽序列中造成毒性的活性區位(Active Site)，並歸納其胜肽結構，如資料量夠多我們便能在未來自行研發新的抗蟲胜肽序列。 8. 自動化防治蟲害系統 偵測裝置 利用偵測裝置統計並分析害蟲種類與數量，藉此評估蟲害情況，及農田中其他參數系統如農田土壤溫濕度等。 自動化噴灑裝置 藉偵測評估並自動噴水與農藥，解決有機農業所需要大量人力照顧的問題，降低生產人力成本。 APP開發 結合APP可以幫助農夫在家即時監控田園並噴水噴藥，使有機農業的生產更有效率。 9. 推廣應用 我們的產品不僅能使用於農業防蟲，同樣的概念也可推廣至病媒蚊防治。利用偵測裝置能即時監控各區域蚊蟲數量多寡，藉此評估日後可能成為爆發疫情的危險區域，對特定區域定點加重噴灑我們抗蟲胜肽(針對雙翅目，如蚊，蠅等)。由於我們能選擇針對蚊蟲的抗蟲胜肽，因此不會危害其他生物，結合偵測裝置後，便能有效地進行預防性的蟲害防治，不但能解決登革熱疫情問題，還能大幅提升產品能見度與影響力，營造產品正面形象。 10. 自我提升 由於現今人類所需要解決的問題都不是能只用生物基因的方法所能解決的，因此為了解決目標問題，常需要用到電子電路等不同領域的知識設計裝置，甚至是撰寫Business Model將其成果商業化；因此我們的計劃能夠藉由實作訓練跨領域人才，並希望我們的努力能夠翻轉現今農業思維，引入科技農業與環保生態農業的概念，來使人類能與地球環境相互共存共榮。